ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.11.2023
Просмотров: 382
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Таким образом, для хорошо исправленной системы роль диафрагмы прежде всего сводится к изменению светового потока, участвующего в образовании изображения. Диафрагма определяет также поле зрения прибора, т. е. максимальную часть объекта, изображение которого может дать прибор. Значение диафрагмы для получения изображений протяженных предметов (глубины фокусировки) мы не будем рассматривать; о влиянии диафрагмы на разрешающую способность оптических приборов см. в гл. XIV.
§ 108. Светосила линзы. Найдем, как зависит освещенность изображения, даваемого линзой, от величин, характеризующих линзу,— от ее диаметра и фокусного расстояния. Освещенность изображения Е определяется отношением светового потока Ф к поверхности изображения ', т. е. Е=Ф/'. При заданном расстоянии а от источника до линзы световой поток, поступающий от источника через линзу к изображению, пропорционален площади линзы, т. е. пропорционален d2, где d— диаметр линзы или диафрагмы, прикрывающей линзу. Площадь изображения прямо пропорциональна квадрату расстояния а' изображения от линзы; если же источник находится далеко от линзы, то изображение находится вблизи фокальной плоскости и площадь изображения пропорциональна квадрату фокусного расстояния f2. Таким образом, в данном случае освещенность изображения пропорциональна (d/f)2.
*) То есть устранены погрешности, указанные выше,
Действительно, пусть около точки S(рис. 237) помещается площадка и около точки S' — ее изображение '. Пользуясь формулой увеличения линзы, находим: '/—а'2/а2. Далее по формуле линзы
1/a+1/a'=1/f или a'/a=f/(a—f). Если расстояние а от источника до
линзы гораздо больше fто в знаменателе правой части можно пренебречь f по сравнению с а, и тогда a'f, а ' пропорциональна f2.
Итак, освещенность изображения, даваемого линзой, пропорциональна квадрату ее диаметра и обратно пропорциональна квадрату ее фокусного расстояния. Величина
Рис. 237. К выводу формулы для освещенности изображения, даваемого линзой
(d/f)2называется светосилой линзы. Эта величина характеризует свойства линзы в отношении освещенности даваемых ею изображений. Нередко для характеристики линзы вместо светосилы (d/f)2 пользуются величиной d/f, именуемой относительным отверстием.
Мы видим, что освещенность изображения уменьшается при ограничении светового пучка, вступающего в линзу. Это относится ко всякому оптическому прибору. Но в то же время качество изображения при ограничении пучка улучшается.
Таким образом, хорошее качество изображения трудно сочетать с большой светосилой прибора.
Практически приходится идти на некоторый компромисс и допускать некоторую потерю в светосиле для получения надлежащего качества изображения и, наоборот, мириться с ухудшением качества изображения для получения достаточной его освещенности.
В современных оптических приборах удается в известных пределах сочетать большую светосилу с хорошим качеством изображения за счет использования многолинзовых оптических систем. В подобных системах аберрации, вносимые одними линзами, компенсируются аберрациями других линз. Простейшие примеры исправления оптических систем мы приводили, говоря о сферической и хроматической аберрациях и об астигматизме. Следует отметить, что расчет сложных оптических систем представляет большие трудности, требует значительного искусства и затраты длительного времени.
§ 109. Яркость изображения. В предыдущем параграфе мы видели, что освещенность изображения протяженного предмета повышается с увеличением диаметра линзы и с уменьшением ее фокусного расстояния. Могло бы показаться, что этим путем можно повысить также яркость изображения протяженного предмета и получить изображения, например, более яркие, чем сам источник. Однако подобное заключение оказывается ошибочным.
В наилучшем случае яркость изображения может достигнуть яркости источника; это имеет место при отсутствии потерь, происходящих за счет частичного поглощения света в линзах и частичного отражения его поверхностями линз. При наличии потерь света в системе яркость изображения протяженного объекта всегда меньше яркости самого объекта. Получить яркость изображения протяженного объекта, большую чем яркость источника, нельзя никакими оптическими приборами.
Невозможность увеличить яркость изображения с помощью оптической системы становится понятной, если вспомнить основное свойство всякой системы, отмеченное в § 102. Оптическая система, не имеющая потерь, не меняет светового потока, но она, уменьшая площадь изображения, во столько же раз увеличивает телесный угол, в который направляется световой поток. При уменьшении площади изображения световой поток, испускаемый единицей поверхности, увеличивается, но зато этот поток направляется в больший телесный угол. Таким образом, световой поток, испускаемый единицей поверхности в единичный телесный угол, т. е. яркость (см. §73), остается неизменным.
Для простого случая образования изображения с помощью линзы мы можем подтвердить этот общий вывод путем несложного расчета. Поместим перед линзой на расстоянии а от нее небольшую светящуюся поверхность с площадью , перпендикулярную к главной оси. Пусть ее изображение находится на расстоянии а' от линзы и имеет площадь '. Тогда, очевидно (рис. 238), /' =а2/a'2, или
(109.1)Найдем световой поток, направляющийся от источника через линзу. Согласно формуле (73.2) Ф=L, где L— яркость светящейся площадки, — ее площадь, a —телесный угол потока, направляемого к линзе. Из рис. 238 видно, что =A/a2, где А — площадь отверстия линзы. Итак,
(109.2)Этот световой поток направляется на изображение '.
Световой поток, испускаемый изображением, направляется внутрь телесного угла ', который, как видно из рис. 238, равен '=А/а'2.
Рис. 238. Яркость изображения зависит от произведения телесного угла на площадь изображения и не может превысить яркости источника
Поток, идущий от изображения, равен Ф'=L''', где L' есть яркость изображения. Итак,
(109.3)
Если в линзе не происходит потерь света, то оба световых потока — Падающий на линзу (и направляемый ею к изображению) Ф и исходящий от изображения Ф' — должны быть равны друг другу:
Отсюда в силу (109.1)
(109.4)т. е. яркость изображения, даваемого линзой, равна яркости самого объекта. Напомним, что все выводы справедливы лишь для протяженных объектов. Вопрос о яркости изображения точечных объектов мы рассмотрим в следующей главе.
Полученный результат позволяет найти освещенность изображения, даваемого линзой. Для освещенности изображения, согласно формуле (109.3), имеем
(109.5)Если можно пренебречь потерями света в линзе, то L'=Lи, следовательно
(109.6)Мы видим, что освещенность изображения, получаемого с помощью линзы, такая же, как если бы мы заменили линзу источником той же яркости Lи с площадью, равной площади линзы. Полученная формула (109.6) применима и к более сложным системам.
Яркость изображения может быть повышена и превзойти яркость источника, если в пространстве между источником и изображением находится активная среда, усиливающая проходящее через нее излучение. (Способы создания активных сред будут рассмотрены позже.) Системы с усилением яркости называются активными оптическими системами. Примером такой системы может служить лазерный проекционный микроскоп, позволяющий получать на экране площади несколько квадратных метров изображения микроскопических объектов с освещенностью, достаточной для восприятия в незатемненном помещении. В активных оптических системах энергия передается изображению из активной среды.
51. Различные виды микроскопов, используемые в судебной экспертизе.
Разрешающая способность микроскопов. Степень прониковения в микромир, изучения микромира зависит от возможности рассмотреть величину микрообъектов, от разрешающей способности прибора, определяемой длиной волны используемого в микроскопии излучения (видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение). Фундаментальное ограничение заключается в невозможности получить при помощи электромагнитного излучения изображение объекта, меньшего по размерам, чем длина волны этого излучения. «Проникнуть глубже» в микромир возможно при
применении более коротковолновых излучений, т.е. излучений с меньшими длинами волн, с более высокой разрешающей способностью микроскопов.
В зависимости от требуемой величины разрешения рассматриваемых микрочастиц материи, микроскопы разделяются на Оптические; Электронные; Рентгеновские; Лазерные рентгеновские микроскопы.
Оптический микроскоп. Оптическая система микроскопа состоит из основных элементов - объектива и окуляра. Они закреплены в подвижном тубусе, расположенном на металлическом основании, на котором имеется предметный столик. В современном микроскопе практически всегда есть осветительная система (в частности, конденсор с ирисовой диафрагмой), макро- и микро- винты для настройки резкости, система управления положением конденсора. В зависимости от назначения, в специализированных микроскопах могут быть использованы дополнительные устройства и системы.
Электронный микроскоп отличается возможностью получать сильно увеличенное изображение объектов, используя для их освещения электроны. В отличие от оптического микроскопа, в электронном микроскопе используют потоки электронов и магнитные или электростатические линзы. Некоторые электронные микроскопы позволяют увеличивать изображение в 2 млн. раз, в то время, как максимальное увеличение лучших оптических микроскопов достигает 2000 раз. Как электронные, так и оптические микроскопы имеют ограничения в разрешающей способности в зависимости от длины волн. В электронных микроскопах используются электростатические или электромагнитные линзы для формирования изображения путем управления пучком электронов и концентрации его на отдельных участках изображения подобно тому, как оптический микроскоп использует стеклянные линзы для фокусирования света на (или сквозь) изображении.
Рентгеновский микроскоп - устройство для исследования микроскопического строения вещества с помощью рентгеновского излучения. Разрешающая способность достигает 100нм, что в 2 раза выше, чем у оптических микроскопов (200нм). Теоретически рентгеновская микроскопия позволяет достичь на 2 порядка лучшего разрешения, чем оптическая (поскольку длина волны рентгеновского излучения меньше на 2 порядка). Однако современный оптический микроскоп - наноскоп имеет разрешение до 3-10нм. Различают рентгеновские микроскопы отражательные и проекционные.
Лазерный рентгеновский микроскоп - прибор или микроскоп c применением рентгеновских лазерных лучей отличающийся разрешающей способностью, обеспечивающей получение изображений на субатомном, атомном уровне на базе использования генерируемого вынужденного луча, например, (инфракрасного) мощностью 14,2 киловатта с длиной волны 1,61 ангстрема.(Например, в ходе химической реакци в режиме 3D и др.).